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CamposCamposPartículasPartículasElectromagnético
Relatividad Relatividad especialespecial
Mecánica CuánticaMecánica CuánticaOnda / partículaOnda / partícula
Fermiones / BosonesFermiones / Bosones
Dirac Dirac AntimateriaAntimateria
Bosones WBosones W
QEDQED
MaxwellMaxwell
Higgs
Supercuerdas?
UniversoUniverso
NewtonNewtonMecánica Clásica,Teoría Cinética,Thermodinámica
MovimientMovimientoBrownianoBrownian
oo
Relatividad Relatividad GeneralGeneral
NucleosíntesiNucleosíntesis s
cosmológicacosmológica
InflaciónInflación
ÁtomoÁtomo
NúcleoNúcleo
ee--
pp++
nn
Zoo de partículas
uu
μμ - -
ππ
ννee
ννμμ
ννττ
dd ss
cc
ττ--
ττ--
bb
tt
Galaxias ; Universo en expansión;
modelo del Big Bang
Fusión nuclear Fusión nuclear
Fondo de radiación de microondas
Masas de Masas de neutrinosneutrinos
ColorColorQCDQCD
Energía oscura
Materia oscura
WW ZZ
gg
Fotón
Débil Fuerte
e++
p--
DesintegraciDesintegración beta ón beta Mesones Mesones
de de Yukawa Yukawa
BoltzmannBoltzmann
Radio-Radio-actividadactividad
TecnologíaTecnología
Geiger
Cámara de
niebla
Cámara de burbujase
Ciclotrón
Detectores Aceleradores
Rayos cósmicos
Sincrotrón
Aceleradores e+e
Aceleradoresp+p-
Enfriamiento de haces
Cámara de hilos
Ordenadores online
WWW
GRID
Detectores modernos
Violación Violación de P, C, CPde P, C, CP
MODELo ESTÁNDAR
Unificación Unificación electrodébilelectrodébil
3 familias3 familias
Inhomgeneidades del fondo de microondas
1895
1905
Supersimetría?
Gran unificaci’on?
19019000
19191010192192
00193193
00194194
00195195
00196196
00197197
00198198
00199199
00200200
00201201
00
PARTICLE SPECTRUM
Victor Hess
Descubrimiento de los rayos cósmicos
In 1913, se encontraron los primeros indicios de la existencia de procesos violentos en el Universo
Universo 1913
Radioactividad creciente según se asciende en la atmósfera
Cascadas de partículas creadas por la colisión de partículas muy energéticas incidiendo en la atmósfera
Para ver esta película, debedisponer de QuickTime™ y de
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PARTICLE SPECTRUM
En 1937 se encontró una partícula en el rango de masas esperadoEn 1937 se encontró una partícula en el rango de masas esperado
μμ - -
Pero era capaz de atravesar grandes espesores de material!! ?
Es decir, no sentía las interacciones fuertes con los núcleos presentes en el material¡No se trataba del pión de Yukawa!
Muón - “electrón pesado” (206 x me)
I. Rabi: “¿Quién ha encargado eso?”“Who ordered that?”
Tras la predicción de Yukawa del pión (1934), comenzó una intensa búsqueda de esta partícula (100-200 MeV)
Todavía no existían aceleradores con suficiente energía. Así que los físicos subierona las montañas a buscar trazas en emulsiones fotográficas
1937PARTÍCULAS ELEMENTALES
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PARTICLE SPECTRUM
Descubrimiento del pión (cargado)
1947
Cecil Powell
Rayos cósmicos a altitud (Pic du Midi, Pirineos)
Trayectorias de los piones identificadas con microscopio
Un año más tarde, se producen piones en el ciclotrón de Berkeley
¡Uff!
(en colisiones de núcleos de Helio y Carbono)
ππ PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM1948PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM 1931 - 1955
Nuevos dessarollos en tecnología de aceleradores y detectores Ciclotrón
Un campo magnético curva las trayectorias en una órbita circular. Las partículas pasan muchas veces por el mismo intervalo entre electrodos
Acelerador lineal
Las partículas se aceleran en los intervalos entre electrodosSe ajusta la radio-frecuencia (RF) al movimiento de las partículas
1931: 80 keV1932: 1000 keV1939: 19 MeV*1946: 195 MeV ("sincrociclotrón")1952: 3 GeV (Brookhaven)1954: 6.2 GeV (Berkeley)1959:24 GeV (CERN)1960: 30 GeV (Brookhaven)…
PARTÍCULAS ELEMENTALES
Sincrotrón
Similar al ciclotrón, pero con campo magnéticovariable para mantener las partículas en una órbita fija (y tb. compensar el aumento relativista de la masa)
DetectoresContadores GeigerCámaras de nieblaEmulsionesCámaras de burbujas
Contadores de Cerenkov FotomultiplicadoresCámaras de chispas
Cámaras de hilosCalorímetros
PARTICLE SPECTRUM 1950- 1968
BARIONES
Δ++, Δ+, Δ0, Δ−
Delta Λ0
Lambda (¡extraños!)Σ+, Σ0, Σ−
Sigma (¡extraño!)
Ξ0, Ξ−
Sigma(¡muy extraño!)
Mesones
π + π − π 0
PionesK+ K− K0
Kaones
ηEta
η'Eta-
Prima
ρ + ρ − ρ o
Rho
φ
Phi
Con los nuevos aceleradores y detectores se encontró un verdadero “zoo de partículas” ~ 200 ’partículas elementales'
¿A qué se debe esta estructura?
Zoo de partículas
PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
Esquema de clasificación basado en los ‘quarks’
Murray Gell-Mann
1)3 tipos de “quarks” : up, down, strange(“arriba”, “abajo”, “extraño”)
2) Con cargas eléctricas +2/3, -1/3, -1/3
3) Sólo existen en combinaciones:
Mesón = quark+antiquark
Barión = quark(1) + quark(2) + quark(3)
G. Zweig (CERN)
uu dd ss
-1/3 e+2/3 e -1/3 e
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Protón Neutrón
1963QQ PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
Piones, Etas
Bariones más ligeros:Protón, Neutrón;
Lambda, Sigma, Xi
OCTETE DE BARIONES DE SPIN 1/2
d s
u d
s u
d u u u, d d
s d
u s Kaones
Kaones
1963QQ PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
Dispersión electrón-protón (análogo más energético del experimento de Rutherford)
Descubrimiento de los quarks
SLAC, Stanford Linear Accelerator Centre1956 Hofstadter midió el tamaño finito del protón
1967 Friedmann, Kendall, Taylor (SLAC): “dispersión violenta” (‘hard scattering’) del electrón por “tres partículas puntuales”
La sección eficaz medida es compatiblecon la existencia de 3 quarks en el protón
1967
¡Los quarks son partículas reales!
(¿Qué es lo que mantiene unidos a los quarks en el protón/neutrón?)
QQ PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
Carga de “color”
Δ++ 3 quarks up con spin paralelo en función de onda (orbital) simétrica
Incompatible con el principio de exclusión de Pauli (no más de un fermión en el mismo estado en el mismo “lugar”)
Los quarks deben tener un nuevo número cuántico, con 3 posible valores “color”Los tres quarks en Δ++ difieren en su “color” (compatible con Pauli)
1973
(Bardeen, Fritzsch, Gell-Mann)
Sólo están permitidas las combinaciones neutras de color (“blancas”)
MESONES = Quark-Antiquark (en una combinación color-anticolor)
BARIONES = 3 Quarks, cada uno de un color
- La fuerza (interacción fuerte entre quarks) es transmitida por 8 partículas intermediarias (gluones)
(u,u,u)
CROMODINÁMICA CUÁNTICA (QCD)
Teoría cuántica de campos análoga a la electrodinámica cuántica
- El color como carga
-Las interacciones fuertes entre bariones/mesones son un residuo de las interacciones gluónicas entre quarks (van der
Waals)
PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
Los gluones son los cuantos del campo que
media las interacciones fuertes entre los quarks
Hay 3 x 3 - 1 = 8 gluones diferentes
(definidos por combinaciones color-anticolor
p.ej. Rojo-antiverde, verde-antiazul,…)
1973
Diferencia con el electromagnetismo: Los gluones tienen carga de color
¡AUTOINTERACCIÓN!
PARTÍCULAS ELEMENTALES/CAMPOSgluonesgluones
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PARTICLE SPECTRUM
Confinamiento y libertad asintótica
La autointeracción entre quarks&gluones virtuales produce antiapantallamiento: la carga
de color aumenta con la distancia
Libertad asintótica: A distancias <fm los quarks y gluones son libres
Confinamiento: A distancias mayores, la fuerza de color es muy intensa, los objetos coloreados están forzados a formar combinaciones sin color
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A pesar de que los mediadores tienen masa cero,la interacción fuerte es de corto alcance
Las interacciones fuertes entre bariones/mesones son un residuo de las interacciones gluónicas entre quarks
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PARTÍCULAS ELEMENTALES/CAMPOSgluonesgluones
PARTICLE SPECTRUM
Anillo de almacenamiento PETRA, 1979, DESY (Hamburgo)
Descubrimiento de los Gluones
1979gluonesgluones
Procesos con 3 “jets” (chorros) en colisiones electrón-positron: un par quark-antiquark que emite un gluón(los objetos coloreados se combinan
con pares virtuales y forman jets de partículas sin color)
PARTÍCULAS ELEMENTALES/CAMPOS
PARTICLE SPECTRUM
¿Hay relación entre ambos sectores?Clave: Interacción 'electro-débil' y ’sabor' de las partículas elementales
LEPTONES
QUARKS
PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
Interacción débil mediada por bosones vectoriales masivos(análogo al intercambio de fotones en electrodinámica)
Una masa muy alta ~80 GeV explicaría el corto alcance de la interacción (2·10-18 m)
La nueva teoría predice secciones eficaces consistentes
Un problema en el modelo de Fermi de interacciones débles
La sección eficaz neutrino-protón ~ (GF Eν )viola conservación de probabilidad* para E > 300 GeV
(*la probabilidad de la interacción es > 100%)
GF = (1/294 GeV)2
pn
ν eModelo de
Fermi Modelo de Glashow
pn
ν e
W-
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Idea
Interacción débil 1958 GlashowCampos
PARTICLE SPECTRUM
e
Zo
νe
e
W “corriente cargada”
ν
ν
“corriente neutra”
Glashow, Salam, Weinberg (1968) - Interacción electrodébil• La interacción electromagnética y la débil son diferentes aspectos de una misma fuerza “electrodébil”
• Los quarks y leptones tienen una “carga débil”
• Los intermediarios de la interacción débil son un “fotón pesado” (Zo) y dos bosones cargados (W±) con spin 1 ymasas ~ 50-100 GeV-> la interacción parece débil por la gran masa de los intermediarios
• Los bosones intermediarios adquieren su masa por interacción con un campo nuevo (Higss )
• Sólo la polarización levógira siente las interacciones débiles (violación de paridad, Wu et al 1957)
ν
e
1968CamposInteracción electrodébil
PARTICLE SPECTRUM
e
Zo
ν
corriente neutra
Descubrimiento de las corrientes neutras en CERN (1973)
• Haz de neutrinos dirigido a una cámara de burbujas(Gargamelle, frente a Microcosmos)
• Una trayectoria de electrón aparece de la nada(el neutrino ioniza un átomo mediante intercambio de un Z)
ν
e
CamposInteracción electrodébil 1973
PARTICLE SPECTRUM
Descubrimiento de los bosones W, Z bosons en CERN (1983)
(Carlo Rubbia - jefe de la colaboración UA1, y promotor del colisionador protón-antiprotón SpS)(Simon van der Meer - inventor del enfriamiento estocástico de haces)
CamposInteracción electrodébil 1983
PARTICLE SPECTRUM
Predicción de un nuevo quark, el charm (“encanto”)(Glashow, Iliopoulos, Maiani)
1970
ccuu
dd ss
Quarks
ννeeννee ννμμννμμ
e-e-µ-µ-
Leptons
Modelo Estándar(con dos familias)
CAMPOS/PARTÍCULAS ELEMENTALES
(neutrino muónico,Steinberger et al, 1962)
(neutrino electrónico,Reines et al, 1956)
PARTICLE SPECTRUM
La partícula J/psi es muy estable (~10-20 sec). Sólo puede decaer por interacciones débiles,
transformando el charm a strange. Esta estabilidad explica la poca anchura del pico de resonancia
Descubrimiento del charm (encanto)
Dos grupos descubren simultáneamente una nueva partícula, que en SLAC (Burt Richter) denominaron 'Psi' y en Brookhaven (Sam Ting) denominaron 'J'
1974
Todos estos hechos proporcionan una firme base experimental y teórica para el Modelo Estándar de interacciones electrodébiles y fuertes
PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
¡Poco a poco se descubrieron los miembros de una nueva familia!
Leptones 1975PARTÍCULAS ELEMENTALES
uu
dd
cc tt
ss bb
e-e-
ννeeννee
µ-µ- τ-τ-
ννμμννμμ ννττννττ
“Tau”, SLAC, 1975(3500 x me)
“Top”, Fermilab, 1995(170 GeV)
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“Bottom”, Fermilab, 1977(5GeV)
“Neutrino tauónico”, Fermilab, 2000
(¡Posible interesante relación con asimetría materia-antimateria en el Universo!
Tres familias -> violación de CP)
PARTICLE SPECTRUMNeutrinos 1992
La existencia de 3 familias de neutrinos se había comprobadoexperimentalmente de forma indirecta
Medición en LEP de la “anchura del Z” (probabilidad de desintegración). Esta cantidad depende del número de canales de desintegración posibles, y por tanto del número de familias deneutrinos
PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
Una proeza del intelecto humanoDescribe la materia y fuerzas conocidas,con un rango de validez de 20 órdenes de magnitudy con una precisión asombrosa
EL MODELO ESTÁNDAR (2007)
PARTICLE SPECTRUM
¿El “final de la Física”?¿El “final de la Física”?
¿O nuevos comienzos?¿O nuevos comienzos?(“nubes en el horizonte”)(“nubes en el horizonte”)
Gravedad cuántica/Supercuerdas/…Gravedad cuántica/Supercuerdas/…
Masas de las partículas y mecanismo de HiggsMasas de las partículas y mecanismo de Higgs
Masas de neutrinosMasas de neutrinos
Violación de CP y asimetría materia-antimateriaViolación de CP y asimetría materia-antimateria
Supersimetría/Dimensiones extraSupersimetría/Dimensiones extra
PARTICLE SPECTRUM
El campo de Higgs da una masa (inercia) a las partículas“fricción en el vacío”
Sir Peter Higgs
Las partículas adquieren masa mediantesu interacción con el campo de Higgs
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PREGUNTAS PARA EL s.XXI
El campo de Higgs es un campo escalar con un valor no nulo en el vacíoEste valor rompe la simetría electrodébil y dota de masas a las partículas W/Z y a los quarks y leptones
La masa de una partícula es proporcional a su acoplamiento con el campo de Higgs
1)¿Cómo adquieren masa las partículas? El campo de Higgs
PARTICLE SPECTRUM
Sir Peter Higgs
La partícula de Higgs
El modelo de Higgs predice las propiedades de la partícula de HiggsSi existe, se descubrirá en el LHC en CERN
La partícula de Higgs es el cuanto asociado al campode HiggsEs una excitación del campo de Higgs, una fluctuación enel valor del campo en un punto
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PREGUNTAS PARA EL s.XXI
PARTICLE SPECTRUM
2) ¿Hay más simetrías en la Naturaleza? ¿Supersimetría?
La simetría juega un papel fundamental en la física de las partículas elementales(p.ej. QCD ->simetría de color, teoría electrodébil -> simetría electrón/neutrino)
Supersimetría es una simetría que relaciona fermiones (spin 1/2) y bosones (spin 0, 1)
En supersimetría:Cada partícula del modelo estándar tiene una partícula supersimétrica asociada, con spin diferente (super-compañero)
Spin 1/2 Spin 1
leptón sleptón
quark squark
Wino W/Z
fotino fotón
gluino gluón
Si estas partículas existen, serán muy pesadas (> 200 GeV)Pero muy posiblemente estén al alcance del LHC
PREGUNTAS PARA EL s.XXI
PARTICLE SPECTRUMNeutrinos 1956-1999
3) ¿Son los neutrinos partículas masivas? ¿Cuál es su masa?
ννeeννee ννμμννμμ ννttννtt
Oscilaciones (conversión) de neutrinos
Se combinan... como notas musicales
Si las masas son parecidas, las frecuencias son simlares
PARTÍCULAS ELEMENTALES
Relación oscilación/masa: Intuitivamente, la conversión “frena” la propagación -> masa
ννee ννeeννμμ
PARTICLE SPECTRUM
Descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos
1998
Los rayos cósmicos producen neutrinos muónicos en la atmósfera superior
Se observa un número significativamente menor de neutrinos muónicos provenientes de abajo (50% del número de neutrinos muónicos provenientes de arriba)
-No explicable por absorción en viaje a través de la Tierra-Explicable mediante oscilación de neutrinos:Una fracción de los neutrinos muónicos han mutado a electrónicos a lo largo de los 12000km extra (diámetro terrestre)
PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARTICLE SPECTRUM
~8·10-5 eV2
~ 2.5·10-3 eV2
1999
¡Los neutrinos tienen masa!
Los experimentos de oscilaciones de neutrinos fijan las diferencias de masas entre las 3 familias de neutrinos Se estima que las masas absolutas se sitúan en el rango ~ 0.01 - 0.1 eV
PARTÍCULAS ELEMENTALESOscilaciones de neutrinos
PARTICLE SPECTRUM
- Teoría de cuerdas
4) ¿Unificación de las interacciones? ¿Gravedad y Mecánica Cuántica? ¿…?
Idea muy atractiva, pero todavía sin evidencia experimental
En estos modelos, el LHC podría producir procesos donde la interacción gravitatoria es relevante, p.ej. ¡Producción de mini agujeros negros!
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Ciertas teorías (p.ej. Teoría de cuerdas) predicen la existencia de dimensiones adicionales, de tamaño microscópico.
Si son suficientemente grandes, podrían explicar la debilidad de lainteracción gravitacional: La gravedad tiene un acoplamiento similar a las otras interacciones, pero los gravitones escapan en las dimensiones extra
La teoría de (super)cuerdas describe la gravedad a nivel cuántico (gravitón)
Todas las partículas (incluido el gravitón) son diferentes estados devibración de un único tipo de cuerda -> Unificación
Multitud de ideas nuevas: ¿qué nos espera en el próximo nivel de conocimiento de la Naturaleza?
- Dimensiones extra
- Agujeros negros y Mecánica Cuántica
Radiación de Hawking, el problema de la información, el principio holográfico, ..
PREGUNTAS PARA EL s.XXI
PARTICLE SPECTRUM
COMIENZO DEL FUNCIONAMIENTO DEL LHC EN 2008
¡Nuevas respuestas!
PREGUNTAS PARA EL s.XXI